Karbon nanomateryallerinin milyarlarca dolarlık yarı iletken endüstrisini alt üst etmesi bekleniyor

Karbon nanomateryalleri bilgisayar çiplerindeki silikonun yerini alabilir ve diğer birçok endüstriyi değiştirebilir, ancak neden ticarileşmenin eşiğinde kalıyorlar?

Geçtiğimiz 20 yılda, boyutları 1 ile 100 nanometre arasında değişen ayrı ayrı maddelerden oluşan nanokarbon malzemelerde büyük atılımlar yapıldı ve nanobilgisayarlardan akıllı tıbbi implantlara kadar çok çeşitli olasılıkların önünü açtı.

Eşsiz gücü ve iletkenliği nedeniyle karbon nanomalzemeler, bilgisayar çiplerindeki silikonun yerini alma potansiyeline sahiptir.

Ancak yeni malzemelerin ticarileştirilmesi çok zordur. Laboratuvar sonuçlarını büyük ölçekli üretime taşımak, yeni bir ilacı pazara sunmaya benzer şekilde uzun ve riskli bir süreçtir. Teknik engeller ve laboratuvar süresinin ve üretimin yüksek maliyeti, birçok yıkıcı malzemenin erkenden başarısız olmasına neden oldu.

Karbon nanomalzemeler için iletkenlik sorunları ve üretim zorlukları, karbon nanomalzemelere dayalı bilgisayar çiplerinin başlangıçta beklenenden daha uzakta olabileceği anlamına geliyor.

Yeni kurulan şirketler, Ar-Ge departmanları ve üniversite laboratuvarları şu anda benzersiz nanokarbon malzemeleri geliştiriyor ve piyasaya sürüyor.

Grafen ve Karbon Nanotüpler

Küçük boyutları nedeniyle nanomalzemeler, yüksek mukavemet-ağırlık oranı (yani yüksek mukavemet ancak hafiflik) ve mükemmel elektriksel bağlantı dahil olmak üzere geleneksel dökme malzemelerle karşılaştırılamayan özelliklere sahiptir.

Karbon bazlı nanomalzemeler (özellikle grafen ve karbon nanotüpler) çeşitli endüstriyel malzemelere alternatif olarak büyük potansiyel göstermiştir.

Grafen, bal peteği yapısında düzenlenmiş tek atom kalınlığında bir karbon tabakasıdır.

Karbon nanotüpler (CNT'ler), boru şeklinde bir yapıda düzenlenmiş grafen tabakalardır.

Karbon nanotüpleri ilk olarak 1990'ların başında keşfedildi, ancak grafen yalnızca 2004 yılında Manchester Üniversitesi'ndeki bilim adamları tarafından izole edildi.

Grafen ve karbon nanotüpler, benzer özelliklerine ve uygulamalarına rağmen yıllar içinde farklı gelişim yolları izlemiştir.

Grafen şimdiye kadar ölçülen en güçlü malzemedir. Mükemmel bir güç-ağırlık oranına sahiptir, elektriği süper iletkenlere yakın iletir ve neredeyse şeffaftır. Havacılıktan yarı iletkenlere ve spor ekipmanlarına kadar endüstriler, performansı artırmak için grafenin nasıl kullanılabileceğini araştırıyor.

Dünyanın en hafif malzemelerinden biri olan grafen aerojel

Yarı iletken endüstrisinin yönlendirdiği CNT ile ilgili araştırmalar daha da yoğunlaştı. IBM, bilgisayar çiplerinde kullanılmak üzere karbon nanotüplerin geliştirilmesine önemli miktarda kaynak ayırdı.

Grafen VC 'Ateş azaltma'

2007'den 2015'e kadar, grafen girişimlerine yönelik finansman istikrarlı bir şekilde arttı. Ancak 2016'da anlaşmalar ve finansmandaki düşüş tam olarak düzelmedi.

Bu düşüş, teknolojinin atılım ile ticarileşme arasında sıkışıp kaldığı ileri malzeme geliştirmedeki tipik çekicilik kaybını yansıtıyor.

Bu alandaki girişimler, piller, tıbbi cihazlar ve elektronik cihazlar gibi belirli grafen ürünlerini geliştirmek için çalışıyor veya malzemeyi genel kullanım için verimli bir şekilde üretmenin yollarını buluyor.

Örneğin Vorbeck Materials, baskılı elektronik pazarı için grafen bazlı mürekkepler ve kaplamalar geliştiriyor. Şirketin grafen ürünleri giyilebilir elektroniklerde, RFID (radyo frekansı tanımlama), sensörler ve diğer uygulamalarda kullanılabilir.

Üretim tarafında, Dow Ventures ve Samsung Ventures'tan fon alan XG Sciences, grafen malzemeleri üretip satıyor. Şirketin tescilli süreci, çeşitli uygulamalar için katkı maddesi olarak kullanılan 'nano tabakalar' adı verilen küçük grafen levha yığınları oluşturuyor.

CNT bağlantılı finansman da azalıyor

Yeni kurulan şirketler de karbon nanotüp teknolojisini geliştiriyor, ancak çok az şirket bu alana girmiş durumda.

Karbon nanotüplere odaklanan yeni girişimler de 2015'ten sonra, muhtemelen grafen finansmanının düşmesiyle aynı nedenlerden dolayı finansmanda bir düşüş gördü. Yıllar süren Ar-Ge yatırımından sonra, karbon nanotüpler teknik engellerle karşılaştı. İlk atılımından 20 yıl sonra, hala geniş çapta benimsenmedi.

Nantero, en iyi finanse edilen ve iddialı CNT girişimlerinden biridir. Şirket, CNT'yi kullanarak, ana yarı iletken depolama aygıtları olarak DRAM (dinamik rastgele erişim belleği) ve flash belleğin yerini alacağını umduğu NRAM'i (kalıcı olmayan rastgele erişim belleği) geliştirdi.

Nantero, CNT teknolojisinin, geleneksel yarı iletken malzemelerden daha yüksek yoğunluklu çipler yapmak için kullanılabileceğine, böylece hız ve belleğin büyük ölçüde artırılabileceğine inanıyor.

Nantero, teknolojisinin lisansını Fujitsu'ya vererek ticarileştirme yolunda bir adım attı. Ancak karbon nanotüplerin ileri teknoloji bilgisayarlarda yaygın olarak kullanılabilmesi için teknik ve pazar engellerinin hâlâ aşılması gerekiyor.

İşletmeler yatırım yapmaya başlamak yerine kendi bünyesinde Ar-Ge faaliyetleri yürütmeyi tercih ediyor

Tüm büyük yarı iletken şirketleri çipler ve piller için grafen üzerinde çalışıyor. CBinsights'ın patent arama motoruna göre Samsung, 200'den fazla grafenle ilgili patente sahip en büyük yarı iletken üreticisidir. 2017 yılının sonlarında şirket, geleneksel pillerden beş kat daha hızlı şarj edebilen grafen pil malzemelerinin geliştirildiğini duyurdu.

Karbon nanotüpler, yarı iletken endüstrisinden ve büyük teknoloji şirketlerinden önemli miktarda Ar-Ge yatırımı almıştır. IBM, karbon nanotüplerle ilgili 200'den fazla patente sahiptir ve malzemenin geliştirilmesine büyük yatırımlar yapmıştır.

Havacılık alanında, grafen, karbon fiberler gibi kompozit malzemelere katkı maddesi olarak mükemmel özellikler göstermiştir. Rensselaer Politeknik Enstitüsü'nün 2010 yılında yaptığı bir araştırma, grafenin karbon nanotüplerden daha iyi performans göstererek kompozitleri daha güçlü, daha güçlü ve kusurlara daha az eğilimli hale getirdiğini buldu.

Airbus ayrıca grafenle ilgili araştırmalara da yatırım yaptı ve grafenle ilgili 6 patenti var.

Teknik engeller uygulamaları engelliyor

Grafen ve karbon nanotüplerin laboratuvardan büyük ölçekli üretime aktarılması ve benzersiz malzeme özelliklerinden yararlanılması şu anda zordur.

Örneğin grafen, elektriği silikon veya bakırdan daha iyi iletir. Gücü, ağırlığı ve şeffaflığıyla birleşen grafenin elektriksel iletkenliği, silikon bazlı bilgisayar çiplerinin değiştirilmesini ve günlük elektroniklerin geliştirilmesini mümkün kılar.

Ancak burada bir sorun var; grafen 'boşluksuz' bir yarı iletkendir, bu da malzeme boyunca akım akışının durdurulamayacağı anlamına gelir. Bilgisayar çipi üreticileri, kullanıcıların elektron akışını durdurarak cihazı kapatmalarına olanak tanıyan silikon çiplere bir 'bant aralığı' eklemek zorunda kaldı. Bu sürecin zorluğu, ticarileşmenin önündeki önemli bir engeldir.

Grafene bant boşlukları eklemek için kullanılan yöntemler uzun bir süredir verimsiz olmuş veya malzemeyi değiştirmiş ve buna bağlı üstün özellikler ortadan kaybolmuştur.

Nisan 2018'de Katalan Nanobilim ve Nanoteknoloji Enstitüsü liderliğindeki bilim insanları, bant boşlukları olan 'grafen' malzemeleri büyütmek için bir yöntem tanıttı. Grafen bazlı çiplerin geliştirilmesindeki bu önemli adım, grafenin 2004'teki ilk atılımından yaklaşık 15 yıl sonra gerçekleşti ve bu da yeni malzemeler geliştirmek için gereken zorluğu ve zamanı gösterdi.

Karbon nanotüplerin bant boşlukları bilgisayar çiplerine dahil edilmelerini kolaylaştırıyor; ancak seri üretim çok önemli bir konu.

Karbon nanotüplerdeki milyarlarca küçük yapıyı manipüle etmek son derece zordur çünkü nanotüplerin yöneliminin, benzersiz özelliklerinden yararlanmak için kontrol edilmesi gerekir. Yaygın olarak benimsenmeden önce, tekdüze, hatasız karbon nanotüpler sağlamak için gelişmiş üretim yöntemlerine ihtiyaç vardır.

Pazar Engelleri: Silikon Bilgi İşlemde Büyük Kalmaya Devam Ediyor

Karbon nanomalzemelerin benimsenmesinin önündeki pazar engelleri, teknik zorluklardan daha zorlayıcı olabilir. Yeni malzemeler, mevcut tedarik zincirlerine uymaya çalışırken şüpheyle ve durgunlukla karşı karşıya kalıyor.

Avustralya Commonwealth Bilimsel ve Endüstriyel Araştırma Organizasyonu'ndan sorumlu fizikçi Amanda Barnard, 2014'teki bir röportajda şunları söyledi: 'Küresel silikon çiplerden zaten trilyonlarca dolarlık yatırım aldık ve bu kazançlı alanı terk etmiyoruz. '

3,5 milyar dolarlık Samsung yarı iletken üretim tesisi, Austin, Teksas, ABD

Mevcut oyuncular, yatırım yapmaya devam etmekten vazgeçmeden önce ya mevcut ürünleri geliştirecek ya da yeni malzemeleri göz ardı edecek. Mevcut malzemelerin kapsamlı bir şekilde grafenle değiştirilmesi, silikon gibi malzemelerle sinerjik uygulamalar elde etmek için muhtemelen uzun zaman alacak.

Diğer bir engel ise standardizasyondur. Grafen Konseyi tarafından 60 grafen ürünü üzerinde yakın zamanda yapılan bir inceleme, %75'ten fazlasının tek bir malzeme özelliğine sahip olmadığını ortaya çıkardı. Üreticiler, grafeni etkili bir şekilde satmak istiyorlarsa standardizasyonun getirilmesi gerekiyor.

Ayrıca, malzemenin yerine yenisi eklenecekse, grafenin fiyatının da düşmesi gerekecek. Grafen günümüzde az bulunuyor ve pahalı, ancak silikon bazlı yarı iletkenlere uygun bir alternatif olabilmesi için meta benzeri bir malzemeye dönüştürülmesi gerekiyor.

Bu gerçekleştiğinde, grafen odaklı girişimler fiyat konusunda rekabet edemeyebilir. Daha küçük grafen girişimleri iflas edebilir veya grafen kapasitesini artırmak isteyebilecek Dow Chemical gibi malzeme şirketleri gibi yarı iletken üreticileri tarafından satın alınmayla karşı karşıya kalabilir.